Fuelpilo

per alkoholo funkciigita fuelpilo

Fuelpilo, fuela pilo, brulpilo, malprecize ankaŭ fuelĉelo aŭ fuela ĉelo, estas elektrokemia pilo (galvana pilo), kiu transformas la reakcian energion de la daŭre alkondukataj fueloj kaj oksidenzoj (oksidigantoj) al uzebla elektra energio. La plej ofta fuelpilo estas la hidrogen-oksigen-fuelpilo, kiu estas tre diskutata kiel alternativa energiofonto.

La produkto de elektra energio per kemiaj fueloj, okazas hodiaŭ plej ofte per generatoroj tra movenergio, kiu estiĝas per forbruligo de kemiaj materialoj. La fuelpilo konvenas por produkti sen plua paŝo rekte el la kemia energio la elektran energion, kio estas tiel pli efektiva. Krom tio, la fuelpiloj havas – kompare al generatoroj – pli simplan konstruon kaj povas esti potenciale pli fidindaj.

Ekologie, la H-O-fuelpilo havas specifan signifon, ĉar hidrogeno estas produktebla per renoviĝanta energio, dum oksigeno estas alkondukebla el la teratmosfero. Tiel oni povas uzi ekzemple sunteknikon, por produkti hidrogenon helpe de elektrolizo de akvo. Tiel ĝi estas esperdona por la estonto, ĉar hodiaŭ ĝi kostas ankoraŭ multe.

La fuelpila teknologio estis jam uzata por energiproduktado ĉe la kosmovojaĝo (Apollo, Space Shuttle) kaj por la submarŝipa propulsio. Ĉar la funkciigo per fuelpilo kostas multe kaj la sekura rezervigo de hidrogeno ne estas ĝis nun konvene solvita, ĝi ne disvastiĝis en normala aŭtomobiloj, sed la registaroj (Usono, EU) apogas la esplorojn per ŝtata mono.

Historio

La principon de la fuelpilo malkovris en 1838 la germano Christian Friedrich Schönbein [1] Arkivigite je 2005-04-07 per la retarkivo Wayback Machine, kiam li du platindratojn en elektrolita solvaĵo lavis (verŝajne sulfura acido) kun hidrogeno kaj oksigeno kaj inter la dratoj estis konstatebla tensio. Li publikigis siajn rezultojn en 1839.

Post malkovro de dinamomaŝino fare de Werner von Siemens, la "galvana gasbaterio" – kiel Schönberg estis nominta sian trovon - forgesiĝis. La renesanco de la fuelpilo alvenis en la 1950-aj jaroj kun la kosmoesploro.

Konstruo

Fuelpilo konsistas el du elektrodoj, kiuj estas apartigitaj per membrano aŭ elektrolito unu de la alia. La anodo (pluspoluso) estas per fuelo lavita (ekz. hidrogeno, metano, metanolo), kiuj tie oksidiĝas. La katodo (minuspoluso) estas tralavita per oksidenzo (ekz. oksigeno, hidrogenperoksido, kaliumtiocianato), kiuj tie reduktiĝas.

La elektrodaj platoj / dupolusaj platoj konsistas el metalo, nikelo, aŭ karbona nanotubo. Por la pli bona katalizado, la katalizilo (ekz. plateno aŭ paladio) estas kovrata kaj tiel ĝi havas pli bonan efikon.

Kiel elektrolitoj, uzeblas ekz. solvitaj lesivoj aŭ acidoj, alkalikarbonataj degelaĵoj, keramikoj aŭ membranoj.

La donita tensio estas teorie ĉ. 1,23 voltoj. Tio dependas de la fuelo kaj kvalito de la pilo. Por pli granda efiko, oni estigas serian konekton inter la piloj.

Ĉe la polimerelektrolita membrana fuelpilo (PEMFC) havas la konstruon:

1. dupolusa plato kiel elektrodo kun en enfrezita gaskanalstrukturo, ekz. el konduk-kapabla plastaĵoj (ekz. aldono de karbon-nanotuboj faras ĝin elektre konduka);
2. poroza karbon-papero;
3. reakcia tavolo, plej ofte surigita al jona membrano. Tie staras en kontakto la 4 fazoj kiel katalizatoro (Pt), elektronkondukanto (fulga aŭ karbona nanomaterialoj), protonkondukanto (jonomero) kaj porozeco;
4. Protonkonduka jonomermembrano: gasrezista (ne-tralasa) kaj ne elektronkonduka;
5. kiel 3);
6. kiel 2);
7. kiel 1)

Funkciado

La fuelo – ekz. hidrogeno – estas transformita ĉe la anodo katalite al katjonoj, kiel ekz al H⁺-jonoj. Tio okazas kun fordono de elektronoj al la anodo. Tiuj elektronoj fluas tra elektra konsumanto – ekz kiel lampo – al katodo. Sur la katodo transformiĝas oksidenzo – ĝenerale oksigeno – per akcepto de elektronoj al anjonoj. La negative ŝargitaj oksigen-jonoj reagas kun la elektrolito fluanta al katodo en formo de H⁺-jonoj al akvo.

reakcia ekvacio:

$anodo:2H_{2}\to 4H^{+}+4e^{-}$

oksidiĝo / elektron-fordono

$katodo:O_{2}+4H^{+}+4e^{-}\to 2H_{2}O$

reduktiĝo / elektron-akcepto

$komunareakcio:2H_{2}+O_{2}\to 2H_{2}O$

redoksa reakcio

Tipoj de fuelpiloj

Nomumo	Elektrolito	Anoda gaso	Katoda gaso	Povumo	Funkcia temperaturo	Stato
AFC – „Alkaline Fuel Cell” Alkala fuelpilo	Kalia lesivo	hidrogeno	oksigeno	20 kW	sub 80 °C	komerca/evoluo
PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Polimermembrano	hidrogeno	aera oksigeno	ĝis 250 kW	sub 120 °C,	komerca/evoluo
DMFC - Direct Methanol Fuel Cell	Polimermembrano	Metanolo	aera oksigeno		90-120 °C	komerca/evoluo
PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell	fosfora acido	hidrogeno	aera oksigeno	11 MW	200 °C	evoluo
MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell	Alkala karbonat-degelaĵo	hidrogeno, metano, karbongaso	aera oksigeno	2,2 MW	650 °C	evoluo
SOFC - Solid Oxide Fuel Cell	Oksidkeramika elektrolito	hidrogeno, metano, karbongaso	aera oksigeno	ekde 100 kW	900-1000 °C	evoluo

Uzebloj

La unua uzo de la fuelpiloj okazis en e-trenoj, kie la kostoj ne havas rolon tiel ĉe armeo aŭ kosmoesploro. La fuelpiloj estas malpezaj kaj pli efikaj ol akumulatoroj, pli fidindaj kaj malbruaj ol generatoroj. Tiuj avantaĝoj estis komence tre gravaj en la spacoesploro.

Kvankam en Kalifornio oni akceptis leĝon, ke ĝis la jaro 2003 10 % de la aŭtomobiloj estu sen rubgaso (do elektraj) en la gubernio, tio ne sukcesis pro la nematura, multekosta tekniko. En 2005 la usona prezidento George W. Bush anoncis la ŝtatan apogon al la hidrogenpilaj esploroj.

Kun malpliiĝo de la naftorezervoj, la fuelpiloj akiras pli kaj pli da graveco, ĉar la hidrogena fuelo estas produktebla el akvo per sun- , vent- , aŭ atomenergio.

Portebla

Oni evoluigis tri alternativojn de hidrogenrezervujoj (prembotelo, likva hidrogeno, metalhidrido) al seriomatura. Kelkaj aŭtomobilfirmaoj (inter aliaj Daimler AG, Ford, Honda, Opel) esploras jam de ĉ. 1985 aŭtomobilojn, kies fuelo estas hidrogeno, kaj fuelpilojn por energitransformiĝo per elektromotoro al propulsio. Ekzemplo por tiaj veturiloj estas NECAR 1 ĝis NECAR 5 de Daimler AG. La svislanda Hy-Light-veturilo aperis publike en 2004.

Oni atendas per amasa enmeto de senemisiaj veturiloj en aglomeraj centroj kaj grandurboj, pliboniĝon de la tiea aera kvalito. Kromefiko estas, ke la poluado estiĝas en la loko de la hidrogen-produktado, se tiu okazas el fosilaĵoj.

La firmao Daimler AG havas kun sia hibrida veturilo de Mercedes-Benz A-klaso solvon eĉ por la malgrandaj aŭtoj.

La tekniko jam estas konvene evoluigita por aŭtobusoj (ekz en Hamburg kaj Stuttgart oni testas la hidrogenbusojn en normala linia trafiko) kaj submarŝipoj.

Oni planas teknologion por poŝtelefonoj, sed la pilo hodiaŭ ne estas sufiĉe malmultekosta kaj eta por tio.

Fiks-loka

Dum la hidrogen-fuelpiloj montras teknikajn problemojn, la tergasaj fuelpiloj konvenas por anstataŭigi la generatorojn en la varmo-kuplado. Ĉikaze temas pri fiks-loka uzo de kiel blokjeta centralo por pli granda loĝareo aŭ en malgranda formo por loka servo de konstruaĵoj.

Ĉe tiuj aparatoj, oni uzas tergason, kiun oni transformas hidrogeno kaj kondukas al la fuelpilo. La loka elektroprodukto helpas eviti la ĝis ĉirkaŭ 40 %-energioperdon dum livero en alt-tensia reto.

Mikrobaj fuelpiloj

Teorie eblas, ke la fuelpilo uzas la mikrobajn organikajn produktaĵojn kiel fuelojn por produkti energion, sed la efikeco estas tro malalta.

Mikroba brulaĵĉelo (angla mallongigo estas MFC), bakteria fermentado, dum kiu bakterioj produktas hidrogenon kaj forigas, malkonstruas la estiĝantan buteran kaj vinagran acidon per alligita tensio, kiu malkomponas la vinagran acidon al CO₂ kaj hidrogeno. La bakterioj aligas je la anodo elektronojn, kiuj transmigras al la katodo, kie ili kuniĝas kun la protonoj al hidrogeno. La procezon reguligas tensio de 0,25 voltoj, kio estas dekono de tiu de la elektrolizo. Oni nomas tiun brulaĵĉelo elektrokemie helpata mikroba reaktoro (angla mallongigo BEAMR).

Literaturo germane, angle

• Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg , 2003, ISBN 3-528-03965-5
• Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services, Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
• Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen!, BoD GmbH 2002 , ISBN 3-8311-3273-9

Vidu ankaŭ

• Bakteria pilo